О локации мест падений фрагментов ракет-носителей

Физические основы регистрации сигналов от падающих фрагментов

Крупные фрагменты ракет-носителей обладают значительной кинетической энергией и при ударе о твердую поверхность земли большая часть этой энергии преобразуется в сейсмическую энергию, возбуждая сейсмические волны. При вхождении отработанных элементов РН в плотные слои атмосферы на сверхзвуковой скорости генерируется ударная (акустическая) волна, также акустическое возмущение генерируется и при ударе фрагмента о землю.

Сейсмические и акустические волны могут регистрироваться на больших расстояниях в зависимости от энергетических параметров вызвавших их событий и от условий регистрации. Подробнее об особенностях локации фрагментов по регистрации обоих типов волн сказано ниже.

Локация фрагментов РН по записям сейсмических волн

Первый эксперимент по пассивной сейсмической локации мест падений фрагментов РН состоялся 19-20 октября 2007 года недалеко от космодрома Байконур. Целью работы являлась попытка регистрации сигналов от падения первой ступени ракет-носителя "Союз".

Для уточнения локальной скоростной модели в районе работ были произведены несколько калибровочных взрывов.

Регистрация сигналов велась пятью трёхкомпонентными сейсмическими станциями, установленными на заглублённые бетонные постаменты. В результате эксперимента, всеми станциями был зарегистрирован сейсмический сигнал от падения одного фрагмента первой ступени РН и определены предполагаемые координаты места падения.

Мобильная станция КоФ ФИЦ ЕГС РАН GBV-316.

Сейсмическая запись падения фрагмента РН.
На карте врезке показаны результаты локации.

Расстояние между координатами, определёнными сейсмическим методом и реальным местом падения фрагмента составило 1.1 км.

Локация фрагментов РН по записям акустических волн

Во время эксперимента по локации падающих фрагментов РН сейсмическим методом на записях также были обнаружены очень мощные (в разы превышавшие амплитуду сейсмических волн) сигналы. По скорости распространения этих сигналов было установлено, что они представляют собой записи акустических волн, энергия которых передалась грунту в окрестностях установки сейсмостанции. Генерация этих волн происходит при преодолении падающим фрагментом скорости звука в плотных слоях атмосферы.

Основываясь на этих результатах было принято решение о проведении работ по развитию методов акустической локации мест падений фрагментов РН.

Для регистрации акустических сигналов в КоФ ФИЦ ЕГС РАН были созданы мобильные инфразвуковые группы на основе микрофонов MP201, позволяющие регистрировать акустические сигналы в инфразвуковом диапазоне. К 2009 году в распоряжении КоФ ФИЦ ЕГС РАН имелись три мобильных инфразвуковых группы. Каждая группа включала в себя три микрофона, АЦП с системой сбора данных, и GPS-приёмник, для привязки к точному времени и определения координат.

Мобильная инфразвуковая группа. 1 - блок питания и оцифровки; 5 - микрофоны MP201; 6 - GPS-приёмник.

При проведении экспериментов во время реальных пусков ракет группы расставляются в разных точках по периметру предполагаемого района падения отработавших элементов РН. При установке группы микрофоны разносятся на расстояние порядка 200 м. друг от друга.

Варианты расстановки микрофонов мобильной инфразвуковой группы. В варианте 3 погрешность оценки азимута минимальна для волн, подходящих с направления, указанного стрелкой.

С помощью таких групп можно по сдвигам приходов когерентных сигналов на датчики определять азимуты на источники и кажущиеся скорости подхода волн, где V_{кажущаяся}=V_{звука в районе группы}/cosß, ß-угол подхода волны к дневной поверхности.

Особую актуальность метод локации мест падений фрагментов РН по акустическим сигналам получил при работах в районах падений вторых ступеней, так как фрагменты вторых ступени, долетающие до земли, имеют незначительную массу и не могут породить достаточно сильные сейсмические волны, зато генерируют достаточно мощные акустические возмущения, во время движения на сверхзвуковых скоростях.

КоФ ФИЦ ЕГС РАН совместно с центром им. М.В. Хруничева было выполнено несколько экспериментов по локации фрагментов второй ступени РН в Алтайском крае и Северо-Восточном Казахстане. Регистрация велась тремя группами. На каждую группу пришло большое количество (порядка сотни) отдельных импульсных сигналов с различных азимутов и с разными кажущимися скоростями. Ясно, что эти импульсы соответствуют ударным волнам от различных фрагментов.

Расстановка мобильных групп на местности (Алтайский край).

Пример записи акустических сигналов от падения фрагментов второй ступени РН.

Ввиду большого количества отдельных сигналов на каждой группе, возникла проблема ассоциации сигналов (поиска на записях разных станций сигналов, соответствующих одним и тем же источникам). Для начала мы решили использовать самые первые сигналы на всех трех станциях. Однако оказалось, что азимуты не пересекаются в одной точке, поэтому слоцировать источник сигнала простым пересечением азимутов невозможно. Это связано с тем, что движущийся со сверхзвуковой скоростью объект порождает волну в каждой точке траектории и на разные станции могут приходить волны, порожденные разными точками (участками) траектории.

Поскольку выяснилось, что простого пересечения азимутов недостаточно для локации, возникла идея подбирать траекторию в целом. То есть, основываясь на исходной (расчетной) траектории моделировать реалистичную трассу падения фрагмента и для каждого варианта трассы считать времена и азимуты приходов сигналов на станции. После чего, сравнением расчётных и наблюдённых времен приходов сигналов, выбираются наиболее реалистичные траектории, а их концы принимаются за предположительные места падений фрагментов.

Однако, далеко не все сигналы удаётся ассоциировать. С чем это связано, до конца не ясно. Можно предположить, что, во-первых, некоторые сигналы соответствуют волнам, отраженным от неровностей рельефа и облаков и, следовательно, не соответствуют реалистическим вариантам траекторий. С другой стороны, вполне возможно, что для более мелких фрагментов сигнал регистрируется не на всех трех, а только на самой близкой станции. И третья возможность заключается в том, что сигналы от разных фрагментов могут приходить на станцию одновременно и складываться.

Таким образом, можно говорить, что в Кольском филиале Геофизической Службы РАН выработан метод ассоциации сигналов, записанных несколькими инфразвуковыми группами, основанный на подборе реалистичных траекторий движения падающих фрагментов. Однако, пока что метод позволяет объяснить только часть обнаруженных сигналов. Точность его на данном этапе оценить сложно, поскольку имеется большое количество факторов, которые могут привести к ошибкам интерпретации данных. В их числе неопределенность механизма генерации начальных условий для перебора траекторий, отличие реальной атмосферы от стандартной, наличие ветровой помехи, вносящей погрешности в оценки азимутов.